乙醇噴射定時(shí)對乙醇柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機性能的影響

2007年11月農業(yè)機械學(xué)報第38卷第11期乙醇噴射定時(shí)對乙醇柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機性能的影響方顯忠劉巽俊金文華韓永強【摘要】在具有雙噴射系統的壓燃式發(fā)動(dòng)機中,用一個(gè)噴射系統噴射乙醇作為主燃料,另一個(gè)噴射柴油作為點(diǎn)火燃料進(jìn)行了不同乙醇噴射定時(shí)的性能試驗和燃燒分析。結果表明,在上止點(diǎn)前21℃A噴射點(diǎn)火柴油時(shí),乙醇可以先于柴油噴射,在上止點(diǎn)前25CA噴射乙醇燃料時(shí)發(fā)動(dòng)機的經(jīng)濟性能最佳,接近原柴油機水平,在上止點(diǎn)前29CA左右噴射乙醇燃料時(shí)發(fā)動(dòng)機具有較好的動(dòng)力性;缸內的統計最大壓力在小負荷時(shí)隨著(zhù)乙醇噴射定時(shí)提前而降低,在大負荷時(shí)隨著(zhù)乙醇噴射定時(shí)提前而提高;雙燃料發(fā)動(dòng)機的最大壓力標準方差隨著(zhù)乙醇噴射定時(shí)提前而增大,并且工作循環(huán)的穩定性逐漸變差;當乙醇噴射定時(shí)在上止點(diǎn)前31cA時(shí)雙燃料發(fā)動(dòng)機不能較好地穩定工作。關(guān)鍵詞:壓燃式發(fā)動(dòng)機雙噴射系統乙醇噴射定時(shí)中圖分類(lèi)號:TK46+4文獻標識碼;AEffect of Ethanol In jection Timing on Ethanol-dieselDual-fuel Engine PerformanceFang Xianzhong Liu Xunjun Jin Wenhua Han YongqiangWilin UniversityIn a direct injection compression ignition engine(CiE)with dual injection systems, theperformance tests and the combustion analysis at varied ethanol injection timing were performedrespectively, which with ethanol as the main fuel injected by one injection system and diesel fuelas the igniting fuel injected by another injection system. The test results show that with theigniting fuel injected at 21CA BTDC, the ethanol fuel injection timing can be earlier than theignition fuel injection timing. The fuel economy of dual-fuel CIE approaches to that of thebaseline diesel engine when the ethanol fuel injection timing is 25.CA BTDC. The maximal poweroutput corresponding to the ethanol injection timing is 29 CA BTDC. The maximum statisticalin-cylinder combustion pressure of test engine decreases with the adyance of the ethanol injectiontiming at light load conditions, but it increases with the injection advance at heavy loadconditions. The combustion pressure standard deviation increases with the advance of the ethanolinjection timing, and correspondingly, the engine operation becomes more and more unsteady.When the ethanol injection timing is advanced to 31 CA BTDC, the injected igniting diesel fuelcan not ignite the main ethanol fuel reliably.Key words Compression ignition engine, Dual injection system, Ethanol, Injection timing研究和開(kāi)發(fā)階段~3主要有3種方式:①用化油器引言或電噴嘴的方法將燃料噴入發(fā)動(dòng)機的進(jìn)氣道內,然目前,乙醇燃料在壓燃式發(fā)動(dòng)機上應用正處于后在氣缸內用柴油點(diǎn)火,其主要缺點(diǎn)是乙醇燃料的收稿日期:2006-06-21善吉林省科技發(fā)展計劃資助項目(項目編號:20020636)中國煤化工方顯忠吉林大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院研究員,130025長(cháng)春市劉巽俊吉林大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院教授博士生導師CNMHG金文華吉林大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院講師韓水強吉林大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院副教授第11期方顯忠等:乙醇噴射定時(shí)對乙醇柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機性能的影響汽化潛熱大,造成進(jìn)氣道內溫度過(guò)低,燃料霧化不化需要的熱量和被汽化的程度有關(guān),噴射定時(shí)越提好,存在液體燃料沉積現象②利用助溶劑把乙醇和前,乙醇被汽化的越徹底。乙醇較完全汽化大大降低柴油混溶在一起,缺點(diǎn)是助溶劑的價(jià)格高,并且乙醇了燃燒室凹坑內局部范圍的最高溫度,特別是降低和柴油混溶以后穩定性會(huì )逐漸變差。③釆用雙噴射了點(diǎn)火柴油噴霧區的瞬時(shí)溫度。乙醇的蒸發(fā)對整個(gè)系統方法,該方法可以解決上面所有問(wèn)題,2種燃被壓縮空氣的平均溫度影響較小,但對乙醇燃料噴料的噴射量和噴射時(shí)間都可分別精確調節,著(zhù)火可霧區的局部溫度影響較大,非常不利于后噴入的少靠,并且著(zhù)火時(shí)間可控制,有很大開(kāi)發(fā)潛力量柴油自燃發(fā)火,只能在部分循環(huán)中實(shí)現著(zhù)火,而在本文在具有雙噴射系統的壓燃式發(fā)動(dòng)機上研大部分循環(huán)中不能將乙醇點(diǎn)燃。究把乙醇先于柴油噴入燃燒室時(shí)對發(fā)動(dòng)機性能的影響,以及乙醇可先于柴油噴射的極限值,并提出點(diǎn)火燃料和主燃料應該采取的控制策略1試驗設備和方法利用雙直噴系統的壓燃式115mm缸徑單缸試驗機,選擇第二個(gè)噴射系統向燃燒室內噴射點(diǎn)火柴油,噴射定時(shí)為上止點(diǎn)前21°CA,并且每循環(huán)噴入柴油15mm3保持不變,使柴油機在沒(méi)有負荷條件下能可靠的運轉。利用原機的第一噴射系統向燃燒室內噴入質(zhì)量分數為9.5%的乙醇作為主燃料,并通過(guò)改變每循環(huán)乙醇燃料噴入量改變柴油機輸出功圖1上止點(diǎn)前31℃A噴射乙醇時(shí)50個(gè)循環(huán)示功圖率。乙醇燃料每循環(huán)噴入量的范圍是15~125mm2Fig. 1 Unstable in-cylinder pressure traces of 50 cycleswhen ethanol injection timing is 31 CA BTDC呆用對比的方法進(jìn)行轉速n=1600r/min條件下當乙醇噴射定時(shí)在上止點(diǎn)前29CA時(shí),50個(gè)循的負荷特性試驗先進(jìn)行原柴油機(只用1個(gè)噴射器噴柴油)負荷環(huán)示功圖如圖2所示,在n=1600r/min最大扭矩特性試驗,原柴油機噴射定時(shí)為上止點(diǎn)前21℃A.然T如x=80N·m工況下,每個(gè)工作循環(huán)的乙醇燃料后進(jìn)行柴油作為點(diǎn)火燃料和乙醇作為主燃料的負荷都能夠被可靠點(diǎn)燃缸內統計最大壓力為7.8MPa,特性試驗,噴射乙醇的定時(shí)分別為上止點(diǎn)前20、23、統計最大壓力標準方差為022MPa,工作比較穩定,表26、29和31CA。分別測量原柴油機和柴油作為點(diǎn)明氣缸內壓力波動(dòng)相對較小火燃料、乙醇作為主燃料在不同乙醇噴射定時(shí)條件的下的負荷特性參數。由于乙醇的熱值低于柴油,為便于和柴油比較,按照熱耗相等的方法將乙醇的消耗量h換算成柴油的當量消耗量b=,柴油消耗量為則2種燃料的等效燃料消耗量為b=b+bg。2試驗結果分析2.1噴射定時(shí)對發(fā)動(dòng)機工作穩定性的影響在點(diǎn)火柴油每循環(huán)噴射量為15mm3、定時(shí)為上止點(diǎn)前21℃A條件下,乙醇噴射先于點(diǎn)火柴油時(shí)其最大噴射定時(shí)應小于上止點(diǎn)前31℃A.當噴射定圖2上止點(diǎn)前29CA噴射乙醇時(shí)50個(gè)循環(huán)示功圖時(shí)為31CA時(shí),50個(gè)循環(huán)示功圖如圖1所示。在發(fā)Fig. 2 Stable in-cylinder pressure traces of 50 cycles動(dòng)機轉速n=1600r/min、扭矩T=5N·m工況when ethanol injection timing is 29 CA BTDC下不能穩定工作,多數工作循環(huán)的乙醇燃料不能可噴射定時(shí)對發(fā)動(dòng)機缸內壓力穩定性的影響靠點(diǎn)燃。缸內統計最大壓力為46MPa,統計最大壓如中國煤化工表示原柴油噴射定力標準差為6MP,表明氣內最大壓力波動(dòng)時(shí)判CNMH醇20”表示雙燃很大。其原因是①點(diǎn)火柴油噴射量只是維持無(wú)負荷料發(fā)動(dòng)機點(diǎn)火柴油噴射定時(shí)為上止點(diǎn)前21CA,乙怠速運轉,整個(gè)燃燒室空間內的溫度不高②乙醇汽醇的噴射定時(shí)為上止點(diǎn)前20CA。從圖中可以看出,24農業(yè)機械學(xué)報2007年缸內統計最大壓力標準方差曲線(xiàn)幾乎在整個(gè)負荷范由圖5看出在點(diǎn)火柴油不變條件下,不管乙醇圍內,雙燃料發(fā)動(dòng)機的最大壓力標準方差隨眷乙醇噴射定時(shí)早和晚,雙燃料發(fā)動(dòng)機的滯燃時(shí)間都明顯噴射定時(shí)提前而增大,并且都大于原柴油機,最大壓較原柴油機長(cháng),乙醇的汽化過(guò)程造成燃燒滯后,但是力標準方差的增大意味著(zhù)雙燃料發(fā)動(dòng)機工作循環(huán)的缸內的壓力變化率d/dφ卻隨著(zhù)乙醇噴射定時(shí)的穩定性差。該結果驗證了乙醇噴射定時(shí)在上止點(diǎn)前提前而增高。其原因是乙醇被噴入到燃燒室內的時(shí)31℃CA條件下不能夠較好地穩定工作。就雙燃料發(fā)間越長(cháng),在點(diǎn)火柴油噴入之前乙醇形成混合氣的準動(dòng)機每個(gè)工作循環(huán)的穩定性而言,乙醇的噴射定時(shí)備時(shí)間越充分越有利于燃燒,一旦被點(diǎn)燃則瞬間參大于點(diǎn)火柴油的噴射定時(shí)7℃A左右為好,既保證加燃燒的可燃混合氣數量多,氣缸內壓力迅速提高發(fā)動(dòng)機較好的穩定性又具有較好的動(dòng)力性原機柴油21原柴柴柴122乙乙乙醇醇醇柴油2】乙醇29柴油21乙醇2903平均有效壓力/MPa噴射定時(shí)/cA圖3乙醇噴射定時(shí)對氣缸統計最大壓力圖5乙醇噴射定時(shí)對壓力變化率的影響曲線(xiàn)標準方差的影響曲線(xiàn)Fig 5 Effect of ethanol injection timing onFig 3 Effect of ethanol injection timing on combustioncombustion pressure rise ratepressure deviation of dual-fuel engine2.3噴射定時(shí)對發(fā)動(dòng)機經(jīng)濟性的影響2.2噴射定時(shí)對缸內壓力的影響不同乙醇噴射定時(shí)對雙燃料發(fā)動(dòng)機動(dòng)力性和經(jīng)圖4是不同乙醇噴射定時(shí)在n=1600r/min負濟性的影響如圖6所示在小負荷時(shí),與原柴油機相荷特性條件下缸內統計最大壓力曲線(xiàn)。從圖中可以比較,越是增大乙醇噴射定時(shí)對發(fā)動(dòng)機經(jīng)濟性越是看出,只有在大負荷時(shí)缸內的統計最大壓力才隨著(zhù)不利,但是在較大負荷時(shí),適當的增大乙醇噴射定時(shí)乙醇噴射定時(shí)提前而提高并且在噴射定時(shí)大于使得雙燃料發(fā)動(dòng)機的等效燃料消耗量b較快降低,23℃A時(shí)最大統計壓力才開(kāi)始大于原柴油機;在小并且可低于原柴油機的燃料消耗量b。其原因主要負荷時(shí)缸內的統計最大壓力反而隨著(zhù)乙醇噴射定時(shí)是燃燒室內的溫度直接影響著(zhù)乙醇燃料完全汽化的提前而減低,這說(shuō)明在小負荷時(shí)氣缸內的溫度較低,程度,燃燒室內的溫虔越高越有利于乙醇完全汽非常不利于乙醇燃料的汽化和燃燒。就乙醇作為主化,均勻混合氣提高了燃燒效率燃料用柴油點(diǎn)燃的發(fā)動(dòng)機而言,在中小負荷時(shí)乙醇噴射定時(shí)應該大于點(diǎn)火柴油噴射定時(shí)1~2A為原機柴油21最佳,在大負荷時(shí)氣缸內的溫度增高時(shí)有利于乙醇x一柴油21乙醇23一柴油21乙燃料的汽化,乙醇較柴油提前8°CA左右噴射時(shí)發(fā)破教校柴油21動(dòng)機具有較好的動(dòng)力性?！ぴ瓩C柴油21山柴油21乙醇20x一柴油21乙醇002040.608R古鑒平均有效壓力/MP柴油21乙醇29圖6等效燃料消耗量和平均有效壓力之間的關(guān)系曲線(xiàn)Fig 6 Relation between equivalent fuel economy and圖7是雙燃料發(fā)動(dòng)機平均有效壓力為6MP時(shí)的筆挑料消耗量隨噴射平均有效壓力/MPa圖4乙醇噴射定時(shí)對缸內最大統計壓力的影響曲線(xiàn)定時(shí)中國煤化工定時(shí)在上止點(diǎn)前Fig 4 Effect of ethanol injection timing on25°CNMHG發(fā)動(dòng)機在較大負statistical combustion pressure of dual-fuel engine荷時(shí)達到了原柴油機的經(jīng)濟性。第11期方顯忠等:乙醇噴射定時(shí)對乙醇柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機性能的影響0.10MP增大噴射定時(shí)始終不利于乙醇的初期燃燒2.5噴射定時(shí)對燃燒持續期的影響的郵擊不同乙醇噴射定時(shí)對燃燒持續期(燃料燃燒10%~90%所需要的曲軸轉角)的影響如圖9所示。在小負荷時(shí)燃燒持續期隨乙醇噴射定時(shí)提前而增加,燃燒都比原柴油機慢,而在大負荷時(shí)都隨負荷的噴射定時(shí)/"cA增加而明顯減少,并且燃燒都比原柴油機快,其明顯圖7乙醇噴射定時(shí)對等效燃料消耗量的影響曲線(xiàn)特征是在小負荷時(shí)乙醇噴射定時(shí)越提前,乙醇燃燒Fig 7 Effect of ethanol injection timing on越慢,而在大負荷時(shí)乙醇噴射定時(shí)越提前,乙醇燃燒equivalent fuel econom越快。在乙醇噴射定時(shí)為29°CA條件下,發(fā)動(dòng)機燃2.4噴射定時(shí)對滯燃期的影響燒持續期在最小負荷時(shí)需要25°CA,而在最大負荷圖8是不同乙醇噴射定時(shí)對發(fā)動(dòng)機轉速n=時(shí)盡管乙醇噴射量較最小負荷時(shí)增加了8倍左右,160r/min負荷特性條件下滯燃期的影響曲線(xiàn),本但燃燒持續期卻只需要14℃CA,充分說(shuō)明雙燃料發(fā)文定義為從點(diǎn)火噴射到燃料燃燒10%所需要的曲動(dòng)機燃燒室內的溫度決定著(zhù)乙醇燃料汽化和燃燒速軸轉角在中小負荷范圍內特別是在小負荷時(shí)燃燒度,溫度越高乙醇汽化的越快,燃燒效率越高。室內溫度較低條件下,滯燃期隨乙醇噴射定時(shí)增加柴油21乙醇20而增加,且隨負荷的增加而增加。乙醇噴射定時(shí)越提X-柴油21乙醇23柴油21乙醇26前,滯燃期越大,說(shuō)明在燃燒初期乙醇燃料的蒸發(fā)不柴油21乙醇29利于燃燒,乙醇噴射定時(shí)越提前意味著(zhù)乙醇燃料能S破夠蒸發(fā)的數量越多,吸收熱量越多,使得燃燒室內溫20864度越低,使燃燒時(shí)間延長(cháng)。在小負荷時(shí),滯燃期也隨乙醇燃料噴射量加大而變長(cháng)。乙醇噴射量增大也會(huì )平均有效壓力/MPa吸收較多熱量使得燃燒室內溫度變低,不利于較快9乙醇噴射定時(shí)對燃燒持續期的影響曲燃燒。當在大負荷變時(shí),燃燒室內的溫度提高非常Effect of ethanol inje有利于初期乙醇的汽化和燃燒,這時(shí)乙醇循環(huán)噴射ombustion duration量的增加對乙醇的初期燃燒影響很小,在中等負荷以后乙醇循環(huán)噴射量對滯燃期的影響變化不大。3結論在乙醇作為主燃料用柴油點(diǎn)火的壓燃式發(fā)動(dòng)機上,乙醇燃料可以先于點(diǎn)火柴油噴射,在本試驗機上乙醇的噴射定時(shí)為上止點(diǎn)前25CA經(jīng)濟性最佳,該發(fā)動(dòng)機能夠穩定工作的最大噴射定時(shí)應小于上止點(diǎn)前31°CA(2)這種雙燃料發(fā)動(dòng)機應采取隨負荷變大而增加乙醇噴射定時(shí)的控制方式。也可以采取在息速和平均有效壓力/MP小負荷時(shí)都用點(diǎn)火柴油噴射系統維持工作,而在較圖8乙醇噴射定時(shí)對滯燃期的影響曲線(xiàn)大負荷時(shí)再?lài)娙胍掖既剂?。這將非常有利于提高該Fig. 8 Effect of ethanol injection timing on發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力性和經(jīng)濟性。參考文獻1何邦全,王建昕,郝吉明,著(zhù)火改進(jìn)劑對乙醇柴油燃料排放特性的影響[]內燃機學(xué)報2003,21(6):417~4222劉金山郭應男譚滿(mǎn)志等.乙醇燃料內燃機均質(zhì)壓燃的工作區域[].吉林大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版2006,36(3):327~3303于世濤,郭應男,卓斌,等.柴油/乙醇混合燃料的性質(zhì)及對發(fā)動(dòng)機性能的影響[]車(chē)用發(fā)動(dòng)機,2004(3):16~4張克范,馬偉東,馮文生,等.乙醇柴油混合燃料的應用研究[中國煤化工5常國峰張繼鵬,尚海軍,等.乙醇HCCI燃燒過(guò)程影響因素的CNMHG37(1),1~46方顯忠劉巽俊李國良,等.直噴壓燃式發(fā)動(dòng)機用雙噴射系統煙元某氣啊元U科亞械學(xué)報,2005,36(3)7方顯忠,劉巽俊,李國良,等.缸內雙直噴系統壓燃式試驗機的開(kāi)發(fā)[.吉林大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版2005,35(1):34~38